多諧振蕩器的研究與仿真

2021-01-08 電子產品世界

摘要：分析了各種多諧振蕩器的電路結構及工作原理，並利用Multisiml0．0對部分電路進行了仿真，重點介紹了單穩型多諧振蕩器，討論集成單穩態觸發器74121定時元件RC對暫穩態的影響以及單穩型多諧振蕩器的應用。Multisim軟體是一種形象化的虛擬儀器電路仿真軟體，它能比較快速地模擬、分析、驗證所設計電路的性能，在課堂教學中引入EDA技術，使傳統教學環節與先進的仿真技術相結合，實現授課的生動性和靈活性，增強學生對基本概念的理解，激發學生的學習興趣，培養並有效提高學生綜合分析、應用及創新能力。
關鍵字：Multisiml0．O；多諧振蕩器；555定時器；施密特觸發器；環形振蕩器

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/188932.htm


O 引言
在數字系統電路中經常用到多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以後，不需要外加觸發信號便能自行產生一定頻率和一定寬度的矩形波，這一輸出波形用於電路中的時鐘信號源。由於矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又將矩形波振蕩器稱為多諧振蕩器。按照電路的工作原理，多諧振蕩器大致分為無穩態多諧振蕩器和單穩態多諧振蕩器。


1 無穩態多諧振蕩器
1．1 採用TTL門電路構成的對稱式無穩態多諧振蕩器
對稱式多諧振蕩器的典型電路如圖1所示，它是由兩個反相器Gl、G2經耦合電容C1、C2連接起來的正反饋振蕩電路。電路中G1和G2採用SN74LS04N反相器，RFl=RF2=RF，C1=C2=C，振蕩周期T≈1．3RFC，輸出波形的佔空比約為50％。RF1、RF2的阻值對於LSTTL為470 Ω～3．9kΩ，對於標準TTL為0．5～1．9kΩ之間。

1．2 採用CMOS門電路構成的非對稱式無穩態多諧振蕩器
如果把對稱式多諧振蕩器電路進一步簡化，去掉C1和R2，在反饋環路中保留電容C2，電路仍然沒有穩定狀態，只能在兩個暫穩態之問往復振蕩，電路如圖2所示。

假定G2輸出為1，電容C充電，在充電開始VI1也為1。因此，該電壓經Rp力口到G1輸入端，Gl輸出為O，電路穩定工作，C繼續充電。充電電流隨著充電時間延長而減小，RF兩端電壓下降，若降到Gl的閾值電壓以下，則G1輸出變為1，G2輸出變為0，C反向充電。隨著充電的進行，VI1達到Gl的閾值電壓時，G1輸出變為0，G2的輸出變為1，該動作重複進行而產生振蕩。電容C的充放電時間分別為T1=RfC1h3，T2=RfC1n3，振蕩周期T=T1+T2=2RFC1h3≈2．2 RFC，輸出波形的佔空比為50％。
在電路的G1輸入端串接的保護電阻RP是為了減少電容C充放電過程中CMOS門電路輸入保護電路承受較大的電流衝擊，且Rp>>RF。
1．3 門電路無穩態環形振蕩器
利用門電路地傳輸延遲時間將奇數個反相器首尾相接可構成一個基本環形振蕩器，電路的振蕩周期為T=2ntpd，n為串聯反相器的個數。作為數字系統的時鐘信號源，由CMOS反相器構成的環形振蕩器具有結構簡單、集成度高、功耗低的優點，因此得到了廣泛地應用。隨著CMOS集成電路工藝技術的發展，當前，其振蕩頻率已達到數+GHz。但是，這種利用反相器的延時特性構成的環形振蕩器，只能產生高頻信號。為了構成低頻和超低頻環形振蕩器，一種解決方法是在此電路的基礎上附加RC延遲環節，組成帶有RC延遲電路的環形振蕩器，電路如圖3(a)所示。另一種解決方法是根據單穩態觸發器的延時作用，運用環形振蕩器的工作原理，構成低頻環形振蕩器，如圖6所示。

當V12處發生負跳變時，經過電容C使v13首先跳變到一個負電平，然後再從這個負電平開始對電容充電，從而增加了V13從開始充電到上升為VTH的時間，等於加大了v12到v13的傳輸延遲時間。通常RC電路產生的延遲時間遠 遠大於門電路本身的傳輸延遲時間，所以在計算振蕩周期時可以只考慮RC電路的作用而將門電路固有的傳輸延遲時間忽略不計。對於TTL門電路，假定VOH=3V，VTH=1．4V，則振蕩周期為T≈2．2RC。如果再電路中採用二極體和電阻組合來改變佔空比，調解電位器RP，使電容c的充放電路徑的阻值在2~100kΩ之間變化，這樣，可使佔空比在百分之幾至99％這樣寬的範圍內變化。電路如圖3(b)所示。在數電實驗中，常用門電路串接為環形振蕩器的方法測量門電路的傳輸延遲時間。因為實際的門電路，輸入端加電壓，到輸出端作為其結果的輸出這個傳輸延遲時間是暫時穩定的，將其狀態轉移到下一個門電路，利用這個原理可測試出圖3電路的傳輸時間tpd(T=2．3tpd)。由於門電路的傳輸延遲時間極短，TTL電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過一二百納秒，該實驗如果用普通20M的模擬示波器實驗效果很差，很難測量到準確的結果，用60M以上的數字存儲示波器才能測得較準確的結果。如果用仿真的方法進行實驗，操作方便、結果直觀明了。所以在實驗中，對儀器要求較高的或較難做的實驗常常用仿真實驗的方法來進行。

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